InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器量子效率计算研究

张 磊，张 亮，张小雷，姚官生，彭震宇



InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器量子效率计算研究

张 磊，张 亮，张小雷，姚官生，彭震宇

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471099）

首先分析了量子效率计算的相关理论，然后分析利用红外中波InAs/GaSbⅡ类超晶格材料进行光伏探测器研制，在对器件进行电学性能测试及光谱响应测试基础上，利用理论分析和测试数据计算出研制器件的实际电流响应率，再将实际电流响应率与理论分析的电流响应率相比，同时消除芯片表面SiO2钝化层光学透过率的影响，计算出器件对红外波段2～6mm辐射响应的量子效率最高可达35%，达到了国外同类型器件响应的量子效率指标。本文的研究为评价InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器的光电转换性能提供了一种有效的方法。

InAs/GaSbⅡ类超晶格；电性能测试；光谱响应；电流响应率；量子效率

0 引言

InAs/GaSbⅡ类超晶格是20世纪80年代兴起的新型本征吸收窄禁带半导体材料，由于独特的“破带隙”能带结构，使得其具有量子效率高、暗电流小、电子有效质量大、带隙可调等优点，从问世以来一直得到关注，被认为是第三代红外探测器技术最佳选择之一。InAs/GaSbⅡ类超晶格探测器具有超越HgCdTe探测器的性能和QWIPs探测器的产业化优势，与传统的HgCdTe材料相比，InAs/GaSbⅡ类超晶格最大的优点是外延层厚度薄，晶格稳定性好，工艺重复性和器件均匀性、稳定性容易保证，对于双色器件，容易实现复杂的多电极器件结构。近年来，在材料制备、器件研制方面均取得了很大进展。

量子效率是衡量探测器光电转换性能的一个重要指标。国外较早地对InAs/GaSbⅡ类超晶格器件的量子效率开展了研究工作[1-5]，国内相关的研究工作落后于西方发达国家，但是也取得了较大进展[6-8]。

超晶格红外探测器属内光电器件，其量子效率是指入射光子转化为器件材料体系内电子空穴对的比例。目前的技术条件下，对于研制的超晶格器件，难以具体统计出实际入射的光子数和产生的电子空穴对数，一般是利用一定的手段宏观测量其电学输出，再进行计算分析。本文以实际研制的InAs/GaSbⅡ类超晶格红外中波探测器为基础，通过量子效率计算的理论分析、器件研制分析、器件测试及测试数据的综合计算，得到了器件的量子效率，可客观地评价器件的光电转换性能。

1 理论分析

由红外探测器量子效率的定义[9]出发，研制器件的量子效率可通过器件测试得到的电流响应率iTest()与其理论电流响应率iTheo()的比值得到，如公式(1)：

QE()＝iTest()/iTheo() (1)

InAs/GaSbⅡ类超晶格中波红外探测器研制以后，通过实验测试可得到其黑体电流响应率ibb，利用光谱仪可测得器件的光谱响应数据SR()。利用黑体辐射的普朗克定律及斯忒藩-玻尔兹曼定律可计算出器件响应的峰值转换系数，如公式(2)、(3)所示[10-11]，再由转换系数计算出器件响应的峰值电流响应率iPeak，如公式(4)，最后利用器件的峰值电流响应率计算出器件在响应波段范围内实际的电流响应率iTest()，如公式(5)[12]：

式中：为波长；1为第一辐射常数，1＝2p2＝3.741382×10－16W×m2；2为第二辐射常数，2＝/＝1.438786×10－2m×K；是普朗克常数，＝6.626176×10－34J×s；是玻尔兹曼常数，＝1.380662×10－23J×K－1。

式中：b＝4是黑体辐射的斯忒藩-玻尔兹曼定律；是斯忒藩-玻尔兹曼常数，＝5.67032×10－8W×m－2×K－4；SR()是器件测试的相对光谱响应。

iPeak＝ibb×(4)

iTest()＝iPeak×SR() (5)

器件在响应波段范围内理论电流响应率iTheo()的计算是从电流响应率的定义式出发得到的，如公式(6)所示

式中：为电子电量，＝1.6×10－19C；是普朗克常数；是光子频率，与光速和波长的关系为＝c/；是时间内器件产生的电子数量；是时间内入射到器件的光子数量，理想情况下二者相等，即＝，所以式(6)简化成式(7)，由式(7)可计算出响应波段内的理论电流响应率的值：

将公式(5)和公式(7)代入公式(1)即可计算器件的量子效率。

2 器件研制分析

在分子束外延（MBE）设备生长的InAs/GaSb中波红外超晶格材料基础上开展工艺试验，进行器件研制。工艺试验流程如图1所示，研制出的中波红外器件二极管结构如图2所示，芯片形貌如图3所示，其中包含有多种尺寸的光敏元。

3 性能测试

将研制的InAs/GaSb超晶格探测器芯片装配金属杜瓦后进行电学性能测试，包括信号电压测试、噪声电压测试及光谱响应测试等。

图1 InAs/GaSb中波红外探测器研制工艺流程

图2 InAs/GaSb中波红外二极管结构

图3 InAs/GaSb中波红外探测器芯片形貌

信号电压S和噪声电压N的测试条件为：①黑体温度：500K；②黑体光阑孔直径：4mm；③黑体孔径到探测器光敏面距离：24cm；④测试系统反馈阻抗：1MW；⑤测试偏压方式：零偏。

探测器的工作温度为77K，同时为了更加全面地反映器件在中红外波段的响应特性，我们在2mm～6mm范围内对器件进行电学性能测试、光谱响应测试及量子效率的计算分析。

在此，选择一个尺寸为400mm×400mm的光敏元作为研究对象，对其进行信号电压测试和噪声电压测试，并对应地进行了黑体电流响应率的转换，测试结果如表1所示。

表1 InAs/GaSbⅡ类超晶格二极管电性能测试结果

利用傅里叶光谱仪对器件进行光谱响应测试，测试曲线如图4所示。

图4 InAs/GaSb超晶格芯片光谱响应测试曲线

4 量子效率计算分析

根据研制的InAs/GaSbⅡ类超晶格二极管电性能测试结果，下面对器件的量子效率进行计算分析。

由表1的测试结果，尺寸为400mm×400mm的二极管对黑体辐射产生的信号电压S＝5.26mV，电流响应率ibb＝0.0865A/W。根据图4中器件的光谱响应数据，利用公式(3)可计算得到器件的峰值转换系数＝29.174，从而器件的峰值响应率iPeak＝2.524A/W，再利用公式(5)，即可得到二极管实际测试的电流响应率iTest()。

利用公式(6)和公式(7)，可计算得到器件在2～6mm波段内的理论电流响应率iTheo()，再利用公式(1)即可计算出器件的量子效率。

这里需要注意的是，InAs/GaSbⅡ类超晶格芯片在实际进行上述测试时，其表面有一层钝化层，钝化层对红外辐射有一定的光学透过率，因此在计算分析器件量子效率时，要消除钝化层光学透过率对器件量子效率的影响。

上述器件研制时，使用CVD生长SiO2薄膜作为钝化层，钝化层厚度为410nm。从结构上分析，记空气折射率为0，SiO2钝化层光学薄膜折射率和厚度分别为1和1，InAs/GaSbⅡ类超晶格基底材料的折射率为2，对应的值分别为0＝1.0，1＝1.47，1＝410nm，2＝3.6。下面分析SiO2钝化层对2～6mm波段红外辐射的光学透过率()。

因为芯片表面只有一层SiO2钝化层光学薄膜，对应膜系的特征矩阵简化为[13]：

膜系的位相厚度1为：

将对应的值代入公式(8)即可计算红外辐射通过SiO2钝化层的传播特性，在此基础上计算出红外辐射通过SiO2钝化层光学薄膜后的反射率()为：

从而可以计算出红外辐射通过钝化层后的透过率()，即

()＝1－() (11)

通过上述分析和计算，得到2～6mm波段红外辐射通过SiO2钝化层后的光学透过率曲线如图5所示。

图5 红外辐射通过超晶格芯片钝化层的透过率

综合理论分析和实际影响因素，得到研制的InAs/GaSbⅡ类超晶格器件量子效率为：

通过上述测试和计算，得到器件的量子效率曲线如图6所示。由图可见，研制的InAs/GaSbⅡ类超晶格中波红外器件量子效率最高可达35%，通过与国外研究机构同类型器件的量子效率[14]相比，如图7所示，表明我们研制的器件在光电转换效率方面与国外达到相当的水平。

图7 国外同类型InAs/GaSb超晶格器件量子效率曲线

5 结论

本文在分析InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器量子效率计算相关理论的基础上，通过红外中波器件研制分析和性能参数测试，利用实际测试数据进行了器件量子效率的计算分析，为客观地评价超晶格红外探测器的光电转换性能提供了一种有效的方法。

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Research on Calculation of Quantum Efficiencyof InAs/GaSb TypeⅡ Superlattice IR Detectors

ZHANG Lei，ZHANG Liang，ZHANG Xiaolei，YAO Guansheng，PENG Zhenyu

(,471099,)

In the paper, theory of calculation of quantum efficiency is analyzed first, then photovoltaic (PV) detectors are fabricated with medium wave (MW) InAs/GaSb typeⅡ super lattice is analyzed. Based on the test results of electrical parameters and spectral response of the photodiode, actual current responsivity is calculated. Then the actual current responsivity is divided by theoretical current responsivity, and the influence of optical transmittance of SiO2passivation layer is considered simultaneously, so the quantum efficiency of InAs/GaSb type Ⅱ super lattice photodiode can be obtained. The peak quantum efficiency of photodiode can reach up to 35% between 2mm and 6mm, which is comparative to the results of photodiodes abroad with the similar type. The research provides an effective method to evaluate the photoelectric conversion performance of InAs/GaSb type Ⅱ superlattice detectors objectively.

InAs/GaSb type Ⅱ superlattice，electrical parameters test，spectral response，current responsivity，quantum efficiency

TN215

A

1001-8891(2016)04-0315-04

2015-12-04；

2016-03-12.

张磊（1984-），男，江苏东海人，工程师，硕士，主要从事新型多光谱探测器技术研究。